錨桿錨索聯合支護的結構設計及數值模擬分析

楊 揚

（山西焦煤集團有限責任公司杜兒坪煤礦，山西 太原030022）

引言

一直以來，煤礦安全生產備受企業和作業人員的關注。實際生產中，綜采設備的可靠性和對工作面巷道圍巖的有效控制是保障煤礦安全生產的基礎。就工作面巷道圍巖控制效果而言，其主要受制于工作面巷道的支護效果和質量。錨桿錨索聯合支護為煤礦生產中常見的支護方式，其目前被廣泛應用于小跨度矩形煤巷的支護中，而對于大跨度矩形煤巷的支護方案還有待進一步優化和改進[1]。本文著重研究錨桿錨索聯合支護在大跨度、大斷面巖層和煤層中的結構設計，并對支護效果進行數值模擬分析。

1 工程概況

某煤礦的設計生產能力為6 Mt/年，該煤礦切眼跨度的寬度范圍在8.6～10.6 m之間，切眼高度為3.6 m，屬于大跨度、大斷面煤礦。以某煤礦的107工作面為研究對象，該工作面煤層的平均厚度為4.5 m，煤層的普式硬度為2，該工作面煤層的厚度和層位相對穩定，屬于穩定煤層。107工作面的頂底板情況如表1所示。

表1 107工作面頂底板情況

經現場勘測可知：107工作面的走向長度為260m，工作面巷道斷面的形狀為矩形，且矩形的寬度為8.6 m，高度為3.6 m，屬于大跨度煤巷。

2 大跨度煤巷支護方案的確定

經統計，目前可應用于綜采工作面的支護方案包括有：錨桿支護，錨桿與金屬網聯合支護，錨桿、金屬網與梁的聯合支護，錨桿與噴射混凝土的聯合支護以及錨桿、網、梁、噴射混凝土的聯合支護。

其中，錨桿支護適用于巷道相對完整且堅硬的工作面，在支護中容易出現支撐松動或巷道圍巖被破壞的現象；為此，在錨桿支護的基礎上加網變相增大了錨桿支護的作用范圍，但錨桿與網的聯合支護無法滿足巷道破壞且變形較大的巷道。因此，在錨桿與網聯合支護的基礎上為其增加了錨梁，雖然進一步提升了支護的可靠性，但是，鑒于錨桿長度的局限性導致該種支護方式僅有效適用于小跨度煤巷[2]。為解決錨桿長度局限的問題，一般將錨桿支護聯合應用。在實際應用中，可在錨桿、網以及錨梁聯合支護的基礎上增加錨索支護，以提升錨桿支護的適用范圍。

因此，針對107工作面大跨度煤層的特點，采用錨桿、錨索、金屬網以及錨梁的聯合支護方案。

3 錨桿錨索聯合支護的結構設計

根據107工作面的地質、水文以及煤層條件，初步設定部分支護參數如下頁圖1所示。

如圖1所示，107工作面所采用錨索支護的間距為1.4 m，錨索排間距為1.4 m；對應頂部錨桿的間距為700 mm，錨桿排間距為700 mm；對應幫部錨桿的間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，所選錨桿包括有玻璃錨桿和金屬錨桿。

3.1 錨索具體參數的確定

根據107工作面在實際生產中的頂板壓力等參數的測定結果，結合不同直徑錨桿所承受的承載力和抗拉強度不同。本工作面最終選擇錨索直徑為21.8 mm。結合107工作面在實際生產中可能存在冒落的最大高度為7 m，且頂板冒落后要求錨索深入其中的深度最少為1 m，錨索的外露長度為0.3 m，錨索的錨固長度為2 m，理論上錨索的長度應為10.3 m。但是，由于工作面煤層、地質條件的動態變化，最終將錨索長度確定為12.3 m。

圖1 錨桿錨索聯合支護參數的初步設計（單位：mm）

因此，經分析可得錨索的直徑為21.8 mm，錨索長度為12.3 m。

3.2 錨桿參數的確定

同樣，根據錨桿參數的確定原理，最終確定錨桿的直徑為20 mm，錨桿錨固長度為500 mm，錨桿長度為2 500 mm。

3.3 金屬網參數的確定

金屬網采用網格為100 mm×100 mm，金屬網所鋪設的長度為4 800 mm。與金屬網相匹配鋼托的材質為Q235鋼，鋼托的規格尺寸為150 mm×150 mm×10 mm。

3.4 錨梁型號的選型

錨梁即為錨索的托梁，根據錨索所承受的最大承載力，本方案選擇制造錨梁的原材料為16號槽鋼[3]。

4 錨桿錨索聯合支護的數值模擬分析

為驗證錨桿錨索聯合支護對107工作面巷道圍巖的控制效果和支護質量，本文基于FLAC3D軟件建立巷道模型，并對支護后巷道及錨桿、錨索的狀態進行數值模擬分析[4]。

首先，根據107工作面巷道的形狀建立數值模擬模型，并保證模型的高度和寬度與實際參數相符。107工作面基于FLAC3D的數值模擬模型見圖2。

圖2 107工作面數值模擬模型

根據107工作面的圍巖力學參數和所采用支護方案中錨桿、錨索以及金屬網、錨梁的力學和幾何參數，對如圖2所示的模型進行設置。模型設置完畢后，分別對無支護和支護狀態下頂板的下沉量和最大主應力進行對比，對比仿真結果如表2所示。

表2 仿真結果對比

如表2所示，對107工作面巷道采用錨桿錨索聯合支護后，工作面頂板的下沉量明顯減小，即經支護后工作面巷道圍巖得到有效控制[5]。

此外，經數值模擬分析可得：在對107工作面巷道采用錨桿錨索聯合支護后，對左斷面進行開采時，錨索所承受的最大拉力為222 kN，錨桿所承受的最大拉力為99 kN；在對右斷面開采時，錨索所承受的最大拉力為296 kN，錨桿所承受的最大拉力為125 kN，均小于對應錨索額定破斷力500 kN，對應錨桿額定破斷力140 kN。即驗證了所設計錨桿錨索聯合支護的可靠性，在實際生產中不會被拉斷。

,5結論

1）所采用錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 500mm；錨索直徑為21.8mm，錨索長度為12300mm.。

2）經數值模擬分析可知：107工作面巷道采用錨桿錨索聯合支護后，工作面頂板的下沉量得到有效控制，對應支護設計中錨桿和錨索的最大拉力均小于其破斷力，滿足實際生產的需求。